DE19608919C2 - Dampfkessel für Kleindampferzeuger - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrisch beheizten Dampfkessel für Kleindampferzeuger. Im einzelnen betrifft die Erfindung einen Dampfkessel mit einem zylindrischen waagerecht angeordneten Wasserkessel mit einem dazu senkrecht angeordneten zylindrischen Dampfdom.

Aus dem Stand der Technik sind bereits Bauformen für Dampfkessel bekannt, die einen waagerecht angeordneten zylindrischen Wasserkessel und einen dazu senkrecht angeordneten zylindrischen Dampfdom aufweisen, so z. B. aus den japanischen Dokumenten Nr. 5-26401 (A) und Nr. 5-26402 (A). Diese Dampf­ kessel werden jedoch nicht elektrisch beheizt. Vorrichtungen zur Erzeugung von Dampf mittels elektrischer Beheizung werden in der US 5,467,424 und in der US 2,627,015 beschrieben.

An elektrisch beheizte Dampfkessel für Kleindampferzeuger, die z. B. zum Be­ treiben von Bügelgeräten vorgesehen sind, werden zwei gegensätzliche Anforde­ rungen gestellt: So besteht häufig die Forderung, ein bestimmtes Wasser­ höchstvolumen von z. B. 10 Liter nicht zu überschreiten. Gleichzeitig soll der Dampferzeuger auch bei stark schwankender Dampfentnahme immer eine aus­ reichende Menge Dampf bereitstellen. Um die entnehmbare Dampfmenge zu vergrößern, d. h. die Kapazität des Kleindampferzeugers zu erhöhen, ist es nach dem Stand der Technik üblich, die Heizleistung der Heizelemente zu erhöhen. Es ist jedoch aus dem Stand der Technik auch bekannt, daß die Heizleistung bei gleichbleibender Größe der Oberfläche der Heizelemente (Heizflächenbelastung) nicht beliebig gesteigert werden kann. Nachfolgend werden die physikalischen Effekte beschrieben, die der Begrenzung der Heizflächenbelastung zugrunde lie­ gen.

Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades, d. h. zur Erzeugung einer maxima­ len Dampfmenge, ist ein guter Wärmeübergang vom Heizelement zum Wasser erforderlich. Es ist bekannt, daß beim sogenannten Blasensieden die größte Dampfmenge erzeugt werden kann. Bei einer Steigerung der Heizleistung der Elektroheizelemente ohne Vergrößerung deren Oberfläche, d. h. bei der Erhö­ hung der Heizflächenbelastung, geht das Blasensieden in ein sog. Filmsieden über, wobei sich das Heizelement vollständig mit einem dünnen Dampffilm überzieht. Dieser Dampffilm wirkt als ein thermischer Isolator und verhindert die Abgabe der Wärme von den Heizelementen an das Wasser. Der somit auftretende Wärmestau führt zur Überhitzung und zum Durchbrennen der Heizelemente. Der Wechsel vom Blasensieden zum Filmsieden erfolgt schlag­ artig, wobei sich die Wahrscheinlichkeit dieses Wechsels mit zunehmender Heizflächenbelastung erhöht.

Um jedoch sichere Betriebsbedingungen für den Dampfkessel zu gewährlei­ sten, d. h. die vorstehend erläuterte Wahrscheinlichkeit des Wechsels vom Blasensieden zum Filmsieden sehr gering zu halten, darf nach dem Stand der Technik die Heizflächenbelastung den Wert von ca. 17 Watt pro Quadratzen­ timeter [W/cm²] nicht überschreiten. Dieser Wert gilt für freie Konvektion des Wassers.

Da die aus dem Dampferzeuger entnehmbare Dampfmenge (Dampfkapazität) direkt von der Heizflächenbelastung abhängig ist und diese auf Grund der vor­ stehend erläuterten Zusammenhänge nicht weiter gesteigert werden kann, ist somit eine Erhöhung der Dampfkapazität mittels Erhöhung der Heizleistung nicht möglich.

Die Höhe der Heizflächenbelastung ist somit begrenzt, wodurch auch die Dampfkapazität des Dampferzeugers begrenzt wird. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Dampfkesseln kann die Erhöhung der Dampfkapazität nur durch die Vergrößerung des Kesselvolumens erreicht werden.

Trotz dieser vorstehend erläuterten und aus dem Stand der Technik hinrei­ chend bekannten Effekte besteht jedoch das Bedürfnis, die Dampfkapazität eines Dampferzeugers auch ohne Vergrößerung des Kesselvolumens zu erhö­ hen. Es ist weiterhin erforderlich, daß der Dampferzeuger Dampf in einer vor­ gegebenen Qualität bereitstellt, d. h., die Dampftemperatur darf einen vorge­ gebenen unteren Grenzwert nicht unterschreiten.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Dampferzeuger mit sicherem Be­ triebsverhalten zu schaffen, der die vorstehend diskutierten Mängel vermin­ dert, eine höhere Dampfkapazität aufweist und eine ausreichende Dampfquali­ tät gewährleistet.

Die Aufgabe wird mit einem Dampfkessel gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Auf Grund der im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale kann die Heizflächenbelastung der Heizelemente wesentlich erhöht werden. Diese Merkmale bewirken ein überraschend gutes Abführen der sich an den Heizelementen bildenden Dampfblasen, wodurch eine sehr gute Wär­ meableitung erzielt wird. Der erfindungsgemäße Heizkessel ermöglicht somit eine wesentliche Erhöhung der Heizflächenbelastung der Heizelemente und folglich eine Vergrößerung der Dampfkapazität des Dampferzeugers.

Es wurde gefunden, daß bei einer Dampfkesselform nach Patentanspruch 2 ein Optimum der Dampfkapazität und der Dampfqualität erzielbar ist. Der erfindungsgemäße Dampfkessel kann an den Endabschnitten des waagerechten Rohrabschnitts mit Flanschen versehen sein, die mit ent­ fernbaren Flanschverschlüssen verschlossen sind, wodurch die Inspektion und die Wartung des Dampfkessels erleichtert wird. Diese Maßnahme verbessert die Betriebssicherheit des Dampferzeugers. Zur weiteren Erhöhung der Be­ triebssicherheit sind die Heizelemente voneinander unabhängig geschaltet. Sollte ein Heizelement ausfallen, kann der Dampfkessel mit den verbleibenden funktionstüchtigen Heizelementen weiter betrieben werden.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbin­ dung mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Dampfkessel in der Vorderansicht in ei­ ner Schnittdarstellung.

Fig. 2 zeigt den Dampfkessel in der Seitenansicht.

In Fig. 1 ist mit Bezugszeichen 1 der in Gebrauchslage waagerechte Rohrab­ schnitt zur Aufnahme von Wasser bezeichnet, wobei der Betriebsfüllstand mit 4 bezeichnet ist. Mit D1 ist die lichte Weite, mit L1 die Länge und mit V1 das Volumen dieses Rohrabschnitts bezeichnet. Bei der vorliegenden Ausfüh­ rungsform sind drei Heizelemente 3 vorgesehen. Das Volumen V1 wird nach folgender Formel bestimmt:

V1 = [π/4 × (D1)² × L1] - V_HEIZ,

wobei V_HEIZ das Volumen der Heizelemente bezeichnet. Mit Bezugszeichen 2 ist der senkrechte Rohrabschnitt zur Aufnahme des Dampfes bezeichnet, der einen Durchmesser D2 und ein Volumen V2 aufweist. Das Volumen V2 wird nach folgender Formel berechnet:

V2 = V_GES - V1,

wobei V_GES das gesamte freie Volumen des Dampfkessels darstellt, d. h. das Kesselvolumen abzüglich der Einbauten, wie z. B. der Heizelemente oder einer Füllstandserfassungseinrichtung. Der Rohrabschnitt 1 ist mit einem Flansch versehen, der mit einem Flanschverschluß 5 verschlossen ist. Damit der Kes­ sel auf einfache Weise inspiziert, gereinigt bzw. gewartet werden kann, sind die flanschseitigen Heizelemente 3 mit dem Flanschverschluß 5 fest verbun­ den und werden demzufolge beim Entfernen des Flanschverschlusses 5 gleichzeitig mit entfernt. An der Verbindungsstelle zwischen dem Rohrab­ schnitt 1 und dem Rohrabschnitt 2 ist ein innerer Radius R vorgesehen, des­ sen Funktion nachfolgend erläutert wird. Dieser Radius sollte so groß wie möglich gewählt werden. Der Betriebswasserstand ist in der Nähe der Mitte der Krümmung mit dem Radius R.

Werden die Heizelemente 3 erhitzt, entstehen an den Heizelementen zahlrei­ che aufsteigende Dampfblasen, die das Wasser in starke Wallungen versetzt. Diese starken Wallungen begünstigen das Aufsteigen der Blasen selbst an der mit Bezugszeichen 6 in Fig. 1 bezeichneten Stelle, so daß kein toter Raum entsteht, in dem sich die Dampfblasen stauen könnten. Es ist also festzustel­ len, daß die innere Geometrie des Dampfkessels eine besonders gute Ablei­ tung der Dampfblasen bewirkt, wenn der Betriebswasserstand den in Fig. 1 aufgezeigten Stand 4 hat. Diese Ableitung wird durch die Krümmung mit dem Radius R zusätzlich begünstigt. Ein Wärmestau, der zu dem unerwünschten Filmsieden führen könnte, wird daher mit ausreichend hoher Wahrscheinlich­ keit ausgeschlossen, obwohl die Heizflächenbelastung bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel 26 Watt pro Quadratzentimeter [W/cm²] beträgt. Bei Dampfkes­ seln herkömmlicher Bauform werden max. 15-16 Watt pro Quadratzentime­ ter [W/cm²] erreicht.

Um die Betriebssicherheit zu gewährleisten, ist der Dampfkessel regelmäßig zu inspizieren. Dazu wird der Flanschverschluß 5 abgeschraubt, wobei die flanschseitigen Heizelemente 3 gleichzeitig mit entfernt werden. Es ist auch zweckmäßig, auf beiden Seiten des Rohrabschnitts 1 einen Flansch vorzuse­ hen. In diesem Fall werden mit dem Abnehmen der Flanschverschlüsse alle Heizelemente 3 entfernt, so daß sich der Rohrabschnitt 1 besonders leicht in­ spizieren oder reinigen läßt.

Bei der vorliegenden Ausführungsform werden drei unabhängig voneinander geschaltete Heizelemente 3 verwendet. Falls eines der Heizelemente ausfällt, kann der Dampfkessel noch mit den verbleibenden zwei funktionstüchtigen Heizelementen betrieben werden, wenn die Heizleistung entsprechend projek­ tiert wurde. Um den Ausfall eines Heizelementes zu erkennen, werden aus dem Stand der Technik bekannte Fehlererkennungseinrichtungen eingesetzt. Die Regelung des Wasserstandes auf den Betriebswasserstand wird mittels einer aus dem Stand der Technik bekannten Füllstandsregeleinrichtung vorge­ nommen.

Es ist zu betonen, daß vorstehend lediglich die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale beschrieben wurden sind. So wurde z. B. auf eine Be­ schreibung und die Darstellung der Wasserzuführung und der Dampfentnah­ mevorrichtung verzichtet, da diese dem Fachmann bekannt sind, gleiches gilt für die verschiedenen Möglichkeiten der Füllstandsregelung.

Claims (5)

1. Elektrisch beheizter Dampfkessel mit

• - einem in Gebrauchslage waagerechten Rohrabschnitt (1) mit einem Durchmesser D1 und einem Volumen V1 zur Aufnahme von Wasser und
• - einem dazu senkrechten Rohrabschnitt (2) mit einem Durchmesser D2 und einem Volumen V2 zur Aufnahme von Dampf, wobei
• - in dem waagerechten Rohrabschnitt (1) Heizelemente (3) angeordnet sind, der senkrechte Rohrabschnitt (2) eine Vorrichtung zur Füllstandserfassung aufweist,
• - der senkrechte Rohrabschnitt (2) mittig mit dem waagerechten Rohrab­ schnitt (1) verbunden ist,
• - die Verbindungsstelle einen inneren Radius (R) aufweist, wobei folgende Beziehungen eingehalten werden: 0,8 D1/D2 1,2,
  0,5 V2/V1 2,5 undder Dampfkessel mittels der Vorrichtung zur Füllstandserfassung so geregelt ist, daß der Betriebswasserstand (4) in der Höhe der Verbindungsstelle des waagerechten Rohrabschnitts (1) mit dem senk­ rechten Rohrabschnitt (2) liegt.

2. Dampfkessel nach Anspruch 1, wobei folgende Beziehungen eingehalten werden: D1/D2 =1 und
1 V2/V1 1,5.

3. Dampfkessel nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Radius (R) so groß wie möglich gewählt wird.

4. Dampfkessel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Inspekti­ on, Reinigung oder Wartung an einem Endabschnitt oder an beiden Endabschnit­ ten des waagerechten Rohrabschnitts (1) ein entfernbarer Flanschverschluß (5) angeordnet ist.

5. Dampfkessel nach Anspruch 4, wobei die Heizelemente (3) mit dem Flanschverschluß (5) so verbunden sind, daß sie beim Entfernen des Flanschver­ schlusses (5) mit entfernt werden.